柴油机机油耗超标原因及预防

1、内燃机配件2007年第4期16柴油机机油耗超标原因及预防R eason and Preventive Method for High Fuel Consumption of Diesel Engine韦斌高金刚戚娟娟(江苏省淮安市发动机气缸套摩擦副研究中心关键词气缸套活塞环活塞 机油耗, , 节约能源、, 低排放, 。活塞环在缸套内运动方式有三种:活塞环轴向运动、径向运动与回转运动。活塞环轴向运动-活塞环同活塞往复运动的基础上, 同时在惯性力、气体压力及摩擦力的共同作用下, 活塞环相对于环槽进行横向移动; 活塞环径向运动-活塞环在轴向运动的同时, 因缸套径向尺寸沿轴向的微小变化, 引起的收缩或

2、扩张运动; 回转运动-活塞环在轴向、径向运动的基础上进行周向蠕动。这种周向运动对防止环与缸套内表面间偏磨和局部过热均是有利的, 但易引起环“对口”的恶劣现象。活塞环密封功能:一是由气环体现的, 防止高压高温气体从燃烧室漏入曲轴箱; 二是由油环适量地向气缸壁分配润滑油, 防止过量机油窜入燃烧室。气环应具有良好的密封作用, 首先应以一定的弹力与缸套壁压紧, 形成第一密封面, 使气体不易通过环周与气缸壁之间窜入环与环槽空隙。轴向不平衡力将环压向环槽侧向, 形成第二密封面。而在环槽内侧径向不平衡力则大大加强了第一密封面的压力。高压高温的气体只有通过环口间隙的通道窜入第二道气环和第三道气环, 由三道气环

3、组成的迷宫通道, 使气缸内的燃气在经过节流后, 压力迅速降低, 正常情况下:第一道环压力/第二道环压力/第三道环压力=4/1/0. 3, 使正常的漏气量较小。活塞环部存在三个窜气及机油通道, 其中第一个通道在活塞环外圆与缸套内壁间; 第二个通道在活塞环端面侧隙、背隙间; 第三个通道为活塞环开口部。1机油耗机理1. 1船用柴油机机油进入燃烧室主要有三种途径:a. 气缸壁:b.气门挺杆密封区:c.曲轴箱扫气。沿气缸壁进入燃烧室的是最主要的途径。另外还有外部渗漏, 船用柴油机常因油管破裂或油封损坏, 曲轴箱通风系统堵塞引起曲轴箱内压过高, 或压力润滑油路中油压过高, 密封垫损坏等, 外部有微量的渗漏

4、, 就会导致最高的机油耗。为了降低机油耗量, 许多船用柴油机厂研究所与实验室的设计工作者对每个与之相关的零部件做大量的研究和改进工作, 取得了较好的实效。活塞环是船用柴油机燃烧室中的一种重要密封件, 它与活塞、缸套相互配合, 形成迷宫式密封通道, 该通道对机油消耗产生重要的影响, 为了降低机油通过迷宫式通道的耗量, 必须提高对活塞环封油机理的认识, 进一步提高配副件的设计质量, 达到正常的机油耗量水平。1. 2活塞环运动和密封机理活塞环包括气环与油环两种。气环的作用是保证活塞与缸壁间的密封, 防止气缸套的高温、高压燃气漏入曲轴箱, 同时使活塞顶部吸收的热量通过活塞环传给缸壁, 使活塞得以散热。

5、油环是防止机油窜入燃烧室, 并在缸壁上部以均匀油膜以利润滑。为了给活塞环受热膨胀留有余量, 防止环被卡死, 造成拉缸现象, 活塞环应根据缸径不同留有相应的开口间隙。为防止经开口间隙窜气, 各环开口必须相互错开, 二道环呈180°, 三道环呈120°, 形成“迷宫式”密封。以使缸套受热和磨损达到最低限度的目2活塞环布油机理发动机在往复运动过程中, 在进气冲程中, 曲轴箱内的压力大于燃烧室的压力, 在惯性力的作用下, 活塞环贴紧环槽上端面, 机油被刮入环槽侧隙及背韦斌高金刚戚娟娟:柴油机机油耗超标原因及预防17隙空间, 此时机油被控制在环背空间; 在压缩、膨胀、排气行程, 同样

6、在惯性力或燃气压力的作用下, 活塞环贴紧环槽下端面, 机油被刮入环槽侧隙及背隙空间, 此时机油被控制在环背空间; 在压缩、膨胀、排气行程中, 同样在惯性力或燃气压力的作用下, 活塞环贴紧下端面, 机油被控制在端面下侧空间, 活塞环端面起到了理想的密封机油运动的效果。在往复运动时, 任何环都受到惯性力的作用。当活塞通过行程中点后, 在惯性力的作用下, 活塞环脱离环槽端面, 侧隙及背隙间的机油就会被挤入燃烧室, 起到了活塞环泵油作用, 造成了机油消耗。此时的活塞环在环槽中发生了不正常的悬浮现象, 仅气环漏气严重, 生共振, 次, 对环激振两次, 当发动机的旋转频率达到活塞环固有振动频率二分之一时,

7、 环就发生悬浮。可见提高活塞环的密封技术, 提高气缸套的制造精度和缸套内表面的圆度及圆柱度, 对漏气量和机油消耗的控制十分重要。3. 2. 1提高气缸套内壁的平台网纹珩磨质量气缸套是发动机的心脏部件, 也是摩擦副重要的零件, 其内表面与活塞顶部、活塞环、气缸盖底面一起构成了发动机的燃烧室, 并引导活塞的往复直线运动。由于气缸内表面既是装配表面又是工作表面, 其加工质量的优劣直接影响到发动机的装配性能和使用性能, 因此, 高档汽车发动机气缸套均采用国际先进平台网纹标准。在气缸套制造行业中, 与普通珩磨网纹相比, 平台网纹表面加工技术具有如 。由于平、毛刺, 很快进入正, 提高了缸套所以寿命; 平

8、台网纹表面可以保持机油更加洁净, 延长机油的更换周期, 大幅度降低机油消耗。2 增加承载面积, 提高密封性能。平台网纹表面实际承载面积比普通珩磨加工表面面积提高了47倍。接触面积的增加, 显然提高了活塞环对缸套内壁的气密性能, 降低了下排气量, 提高了发动机功率。3 增强储油润滑功能, 提高有效功率。普通珩磨的缸孔表面与活塞环之间不能建立连续、有效、足够的高强度油膜, 会形成干摩擦, 产生较大的磨损, 严重时甚至拉缸、缩短缸套大修周期。平台网纹表面在深谷区贮存机油, 连续的交叉网状沟槽有利于机油在气缸套工作表面均匀分布, 而顶部小平台有利于高强度油膜的形成并使气缸套内表面上多余的机油被刮回曲轴

9、箱, 充分润滑摩擦副, 改善气缸套表面滑动性能, 降低摩擦功损失。4 减少机油燃烧, 利于排放达标。平台网纹加工时, 可以采用较粗的砂条和较低的珩磨压力, 有利于提高缸套内表面的圆柱度和圆度, 更好的与活塞环形成密封, 减少机油燃烧, 降低机油消耗, 提高排放指标。平台网纹的缸套其粗糙度应保持一个适当的值, 一般正常粗糙度为Ra 值0. 630. 8之间。3. 2. 2减少缸套内壁的失圆度缸套内壁的变形使得缸套与活塞环的贴合性变差, 润滑性能降低, 导致上窜的机油增多, 燃烧室积碳大量积聚, 硬颗粒磨料增加, 加速气缸的磨损。首先缸套的制造精度, 特别是内孔的圆度及缸套装配面与内孔的同轴度必须

10、保证。一般缸径在120mm 以内情况下:湿式缸套的装配面与内孔同轴3预防机油耗量超标措施3. 1机油正常消耗和非正常消耗机油的消耗主要是气缸壁, 因此提高缸套、活塞环和活塞的制造精度是降低机油耗量的重要措施之一。柴油机排放中颗粒含量比汽油机高出4080倍, 其中机油耗对颗粒排放有着显著的影响, 总颗粒排放中由机油产生的部分所占比例与柴油机的结构形式、运行工况及机油理化特性有关。机油消耗分为正常消耗和非正常消耗。正常机油消耗在缸内, 缸内机油消耗主要途径构成, 一是在惯性力的作用下, 机油随第一道环运动被抛入燃烧室而蒸发烧损; 二是在高温下, 粘附缸套壁上的油膜蒸发并燃烧; 三是由泵油和窜气带走

11、。非正常机油消耗:缸套、活塞环因磨损而间隙增大, 机油通过活塞、活塞环与气缸壁间向上窜入燃烧室燃烧; 气缸套压入机体后的圆度和圆柱度超差, 使环不能紧密圆周贴合缸壁, 局部漏气窜油至燃烧室烧损; 通过进气门和气门导管漏入气缸内烧掉; 经排气门和气门导管漏入排气管排入大气; 曲轴前、后油封泄漏; 曲轴箱内的压力升高, 造成机油上窜; 负荷和热负荷过高, 加快了机油的分解老化。其中气缸壁的机油消耗量是最主要的消耗。3. 2降低油耗的措施内燃机配件2007年第4期18度0. 08mm ; 干式缸套的装配面与内孔的同轴度0. 06mm 。其次在冷态装配应力造成变形, 未装入机体前应检查机体缸套座孔的尺

12、寸精度和圆度公差要求, 对于缸体座孔圆度超差者最好不启用, 否则会使缸套随机体座孔变形而变形。再则, 缸套的变形由燃烧引起的热负荷应力和气体压力及缸壁承受的活塞侧推力等综合作用而变形。目前只能从冷态角度来考虑变形。另外, 缸套自身变形, 缸套外圆与机体装配间隙过大的情况下, 薄壁缸套压入机体孔后缸径极易失圆, 工作一段时间后缸径失圆逐渐加大。解决的措施:a.对于干式缸套外圆与机体缸套座孔进行分组装配, 确保较小过盈配合, 缸套压入机体后测量缸套内壁的失圆度, 以下; 0. 04mm 以下。b. 装配, 控制配缸间隙。3. 3. 3合理的设计活塞1 在活塞与缸套分组的基础上, 改进活塞的设计,

13、活塞环岸区在纵向设计成锥形; 横向设计成椭圆形, 适当加大顶岸区与气缸孔的间隙, 避免活塞挤压顶岸上的积碳而擦伤气缸壁, 使机油耗量增加。2 在活塞裙部设计增压储油槽合理地设计活塞的椭圆度型线, 适应缸套内孔的微量失圆度, 加宽裙部接触带, 以确保活塞与缸套间的最小油膜厚度, 既有利于润滑, 又降低了机油耗。3. 3. 4合理选用活塞环1 活塞环在内燃机工作时主要起支撑、密封、刮油和导热的作用。其中, 油环的作用主要是刮油和布油, 典型结构是螺旋撑簧油环, 它是回油、刮油的主力环。以机油消耗的机理来看, 机油消耗大部分是由活塞、活塞环周边的造成的。在活塞环中具有机油控制功能的是油环和第二道气环

14、, 第一道气环主要是承担气密作用, 但因窜油而消耗的机油终究还是要通过第一道环的, 减少第一道换的闭口间隙或在确保第一环正常密封的基础上增大第二道环闭口间隙可以减少机油耗, 微量增加的窜气量与机油耗之间并无直接关系。但机油耗随着正常窜气量与逆向窜气量气量之差的增加而减少。2 第一道气环一般选用桶面楔形环或不对称桶面梯形环, 其主要优点是环与气缸壁始终为圆弧接触, 因而能加快磨合和提高密封性能, 并对气缸表面适应性和对活塞摆到的适应性较好, 环随同活塞作上下运动, 易于气缸套形成油膜, 使活塞在运动中不会将大量机油带入燃烧室。环, , 形, 并且, 减少了环在环槽中的悬浮, 达到。3 合理的选用油环面压油环的面压直接影响发动机的机油消耗, 弹力大的油环对气缸壁的比压高, 在刮油过程中分布在缸壁上的油膜厚度小, 但比压提高到一定程度后, 再增加比压非但不再降低机油耗, 反而会加快油环的磨损并使发动机摩擦功增大。考虑到减小摩擦力, 可通过减小刮油刃宽度, 提高油环撑簧的弹力, 采用热稳定性能好的弹力钢丝等措施以提高并稳定油环面压。4 减少油环环槽的背隙油环在环槽中起着泵油作用, 环与环槽的侧隙及背隙越大, 储存的机油就越